基于推理能力培养的课堂实践与探索

摘" 要：物理学科核心素养具有多维性。科学推理能力作为科学思维的重要要素之一，其发展状况很大程度上制约着学生科学思维的发展。本文以2019年人教版必修第三册的“电荷”教学为例，总结归纳出培养学生科学推理能力的五种路径，从而推动学生科学思维的发展，促进学生物理核心素养的提升。

关键词：高中物理；科学思维；推理能力；五种路径；实践探索

基金项目：本文系江苏省基础教育前瞻性教学改革实验项目（一类）“高中物理推理能力结构及有效培养策略的研究”及常州市教育科学“十四五”规划备案课题“农村中学物理教学中科学推理能力培养的实践研究”（课题编号：2023czb-wj073）的阶段性成果之一。

1" 科学推理能力的内涵

科学推理概念的提出最早源于皮亚杰的认知发展阶段理论。皮亚杰认为，科学推理是认知发展进行到形式运算阶段之后的儿童或成人所能掌握的推理类型，个体能够应用科学推理进行假设检验或问题解决。皮亚杰认为科学推理是学生科学探究能力的重要组成部分，该观点引起了国内外科学教育研究者的关注。

《普通高中物理课程标准（2017年版2020年修订）》（以下简称《课程标准》）将物理学科的核心素养分为四个方面，即物理观念、科学思维、科学探究、科学态度与责任，其中科学思维包含模型建构、科学推理、科学论证和质疑创新四种要素。［1］

科学推理能力是指个体能够对他人的科学观点在理解的基础上进行评价，能建构自己的科学观点，并能在实际情境中解决问题的能力。

2" 基于推理能力培养的教学设计

传统课堂主要关注在解决物理问题的过程中进行科学推理，很少对科学推理方法进行显性的教学，这使得学生在应用科学推理方法解决实际问题时常常遇到困难。［2］学生的推理能力并非与生俱来，而是需要通过学习积累、探索训练以及经验总结、在此过程中不断提升和发展的。本文以2019年人教版高中物理必修第三册的“电荷”教学为例，通过让学生经历运用科学推理找出规律、形成结论的过程，使科学推理方法在教学过程中显性化，从而培养学生的证据意识，推动学生科学思维的发展。

2.1" 情境问题，激疑引趣

物理学是一门以实验为基础的科学，物理现象、物理概念、物理定律都建立在实验的基础之上。物理实验是学生掌握基本理论和有关概念的常规方法，同样也是学生进行各项推理的支撑。［3］教师可以通过演示实验将生活现象进行演示，进而创设问题情境引发学生的思考，让学生感受物理知识在生活中的具体运用，这一过程对于提升学生的学习兴趣与课堂效率有积极作用。

教学设计1：创设情境激发学生学习兴趣。

实验活动：趣味挑战“隔空推罐”，给你一根吸管，在不接触易拉罐的情况下，你能使易拉罐动起来吗？

学生经过思考、讨论，提出方案：可以用毛皮摩擦塑料吸管，靠近易拉罐，使易拉罐运动。接着，学生动手进行实践。

教师追问：这里面蕴含了什么道理？

学生回答：摩擦可以使物体带电，带电物体能吸引轻小物体。

设计意图：通过趣味挑战引入新课，既能吸引学生注意力，又可以激发学生的好奇心，体现物理服务生活的理念。教师通过提问唤醒学生记忆，以便顺利介绍电荷的发现史。

2.2" 构建模型，析疑引模

在传统教学中教师也很重视物理模型教学，但大多停留在物理模型的“教”与“用”阶段，属于对学生低阶思维能力的培养。《课程标准》指出，

无论是物理知识的教学，还是物理问题的解决，教师都要引导学生发现和提出问题。［4］这就需要教师更新观念，培养学生建构物理模型的意识，提高学生建构物理模型的能力。

教学设计2：困惑促成模型建构。

实验活动：通过实验验证“带负电的橡胶棒靠近自制验电器顶端时，顶端带正电，铝箔带负电”。

学生经过思考、讨论，提出实验思路：根据电荷的累加性和中和性，使橡胶棒顶端与带负电的静电计接触，观察指针张角是否减小；将铝箔片与带负电的静电计接触，观察铝箔片张角是否增大（接下来学生进行分组实验）。学生在该实验中会遇到诸如“移走带负电的橡胶棒后铝箔片闭合、验电器不带电”等问题。

教师引导：从微观角度看，移走橡胶棒，聚集在验电器铝箔片上的自由电荷不再受作用力，将回归初始状态，所以验电器不带电了。有没有办法使橡胶棒移走后，验电器的两端都带电？

学生经过思考、讨论，并提出解决方案：切断自由电荷回归的“路线”，即将铝箔与铁丝分开。

教师追问：这个方案可行吗？你们是怎么想到的？有改进措施吗？

学生回答：将验电器换成两个可以分开的导体。

教师：这个改进是对真实情境的合理抽象。为了方便研究问题，可以选择两个完全相同的导体，将它们组合在一起替代真实的验电器（见图1）。

设计意图：该教学片段把教材上的演示实验设计成探究的形式，没有直接给出枕形导体模型，学生有很大的设计空间。在学生遇到困难的时候，教师可以通过梳理感应起电的本质和电荷分布的特点，引导学生寻找解决问题的办法，简化、抽象出对应的物理模型，完成实验验证。

2.3" 思维驱动，探疑引导

提问是课堂教学活动的重要组成部分。具有启发性和反思性的高质量问题不仅能驱动学生思维的发展，还可以引领学生的推理方向，推动学生的推理进程。对于难度过大的问题，教师可以设计进阶式问题，通过进阶式提问，引导学生努力探索、认真分析，逐步解决学生的疑惑。［5］

教学设计3：巧设问题链引导探究。

问题1：如何验证电荷相互作用的规律？

学生经过思考、讨论，提出方案：①用毛皮分别摩擦两根橡胶棒，此时两棒所带电荷电性相同，相互靠近，观察现象；②用毛皮摩擦橡胶棒，丝绸摩擦玻璃棒，此时两棒所带电荷电性相反，相互靠近，观察现象。

教师追问：如何得到直观的实验现象？

学生经过思考、讨论，提出将橡胶棒用细绳系住中部悬挂起来实验，以便排除其他影响。

问题2：根据实验现象分析电荷有几种？

学生自主分析：根据电荷的相互作用规律可知，当带电物体发生排斥现象时，说明两物体带同种电荷；当带电物体发生吸引现象时，说明两物体带异种电荷。而电荷间的相互作用只有排斥和吸引两种现象，所以电荷只有两种。

问题3：怎么检验物体是否带电？

学生分析：利用电荷间的相互作用规律检验。

教师提问：如果观察到两物体相互吸引，是否可以判定两者一定带异种电荷？

学生经过思考提出：带电体能吸引轻小的不带电物体，因此不能判定两者一定带异种电荷。

得出检验方法：利用同种电荷相互排斥检验两者是否带电更为合理。

实验任务：请利用提供的材料，自制验电的仪器。

实验材料：橡胶棒（毛皮）、铝箔、细铁线、一次性透明水杯。

学生思考、交流、设计，教师展示学生制作的验电仪器（见图2）并评价。

教师：介绍几种常用的验电器、静电计。

教师追问：静电计除了检验物体是否带电，还有其他功能吗？怎么验证？

学生经过思考、讨论，提出：可以检验物体带电的多少和所带的电荷种类。

实验方案：①用与毛皮摩擦过的橡胶棒接触静电计，观察指针张角的大小；②接着用与丝绸摩擦过的玻璃棒接触静电计，观察指针张角的变化；③再用与毛皮摩擦过的橡胶棒接触静电计，观察指针张角变化。

实验现象：异种电荷接触，指针张角变小，意味着静电计所带电量变少；同种电荷接触，指针张角变大，意味着静电计所带电量变多。

问题4：电荷有两种，你们是如何命名的？

学生经过思考、讨论，提出：电荷可以命名为正电荷与负电荷。

追问：为什么要这样命名，而不是其他说法呢？

学生：异种电荷连续接触静电计时，指针张角减小，类似于数学中的正数与负数相加；同种电荷连续接触静电计时，指针张角增大，类似于数学中的正数与正数相加或负数与负数相加。

问题5：摩擦起电过程中的电荷从哪里来？

学生：是由于电子的转移。

教师引导学生从物质微观结构入手，解释摩擦起电的原因。

设计意图：基于适切的情境设计问题链，引导学生逐步分析、推理出自然界的电荷只有两种，命名为正电荷和负电荷。经历了这样层层递进的逻辑推理，学生既能深入认识电荷、了解摩擦起电的本质，还能感受科学推理是分析和揭示未知世界的重要方法和手段，同时形成了严谨认真、实事求是、敢于质疑的科学态度。

2.4" 推导论证，释疑引学

推导论证教学指的是在物理探究教学中融入科学推理的教学方式，这一教学过程围绕证据与推理、观点与主张、原理与规则、概念与理论进行。教师利用思维结构图将推导论证的内容和过程直接呈现给学生，引导学生理解科学推理的思维过程，促进学生内化科学推理方法并进行实践运用。教师在教学实践中选用显性化的处理方式传授科学推理方法时，不能一味地进行方法教育，要以具体的知识为基础，避免引起学生的思维僵化。

教学设计4：思维结构图显化推理论证。

教学环节1：问题2中教师要求学生分析电荷有几种，学生提出电荷有两种。

教师提问：你的依据是什么？

学生：由验证电荷相互作用规律的实验现象可知，电荷间的作用只有两种情况，排斥和吸引，所以电荷只有两种。

教师追问：我们只用了橡胶棒和玻璃棒进行实验，证据并不充分，如何弥补？

学生：采用更多的材料来摩擦。由此得到了思维结构图一如图3所示。

教学环节2：问题4中讨论电荷如何命名的问题，学生提出正电荷和负电荷。

教师追问：这样命名有依据吗？为什么不称它们为A电荷、B电荷呢？

学生：依据是用静电计检验电荷的种类时呈现出的电荷的累加性和中和性。由此得到了思维结构图二如图4所示。

教学环节3：研究带负电的橡胶棒靠近验电器顶端时验电器带何种电？学生认为验电器顶端带正电，铝箔带负电，即“近异远同”。

教师追问：你的推理依据是什么？

学生：电荷间的相互作用规律。由此得到了思维结构图三如图5所示。

设计意图：思维结构图的运用，可以清晰直观地展示分析方向，给出思考脉络，引导学生收集论据、建构理由、提出主张。学生经历了推导论证的过程，有利于学生突破原有观点，发展创新思维，促使学生向更高认知水平的高阶思维和高阶能力发展。

2.5" 总结反思，解疑引思

学而不思则罔，思而不学则殆。学习与思维融合是促进学生深度学习的有效策略。审视当下的物理课堂，可以发现，物理课堂仍然存在着情感缺乏、结构化的思考不足、主动性质疑不够等问题。在教学过程中，教师开展有逻辑、有层次、有结构的总结和反思，更有利于学生实现知识的内化和思维的发展。

教学设计5：总结反思，推动思维走向深刻。

探究实验：①橡胶棒靠近验电器小球，铝箔片会张开，移走橡胶棒，铝箔片闭合；②橡胶棒靠近的时候，用手短触验电器，再移走橡胶棒，铝箔会张开。

学生需要思考的问题如下。

问题一：如何解释当带电橡胶棒靠近验电器时下端的铝箔会张开，移走时会闭合的现象？

学生经过思考、讨论，尝试从微观角度解释电荷之间的相互作用。

问题二：为什么手接触一下验电器的顶端，再移走带电橡胶棒时验电器的铝箔会张开？

教师引导学生依据感应起电的原理解释。

问题三：此时验电器会带何种电荷？如何通过实验验证你的猜想？

学生思考、讨论、交流。

验证方法：根据电荷的累加性和中和性，将带负电的橡胶棒与验电器接触，观察指针张角的变化。

问题四：对于感应起电现象，你还想研究什么问题呢？

学生思考、讨论：验电器近端和远端的电荷数量有何关系呢？

教师追问：怎么研究电荷数量的关系呢？

学生经过思考、讨论，提出方案：借助枕形导体模型，将带负电的橡胶棒靠近枕形导体一端，分开枕形导体的两部分，先后将两个导体与静电计接触，观察到指针先张开后闭合，证明两者所带电荷的数量相等，种类相反。

设计意图：总结反思是对教学内容的拓展和提升。在分组实验中，学生完成了感应起电实验，但是只用眼睛看并不足以让他们理解其中的原理，教师还需组织学生围绕实验现象继续思考、讨论、猜想和验证。在这一环节中，通过总结反思、分析比较、抽象概括，学生加深了对感应起电的理解，经历了思维的加工过程，提升了自身的探究能力。

3" 结语

科学推理能力是学习、研究物理的过程中不可缺少的一种重要能力，是科学思维全面发展的基础。在教学中，教师要善于把握问题情境，点燃思维火花；构建物理模型，渗透思维方法；让学生经历推理过程，锻炼思维能力；融合学习和思考，提升学生的思维品质；外化认知过程，丰富学生的思维成果。

参考文献

［1］［4］中华人民共和国教育部.普通高中物理课程标准（2017年版2020年修订）［M］.北京：人民教育出版社，2020：4-5，51.

［2］吴翠玲.培养推理能力" 发展科学思维［J］.中学物理教学参考，2020，49（6）：66-67.

［3］史宏凯.例析科学推理在高中物理教学中的有效渗透［J］.物理教学探讨，2019，37（4）：1-2

［5］金灿.问题导学，环环相扣，激活学生思维——“电荷及其守恒定律”教学设计［J］.江苏教育，2014（30）：21-24.